RU2135898C1

RU2135898C1 - Камера сгорания газовой турбины и топливный инжектор газотурбинного двигателя

Info

Publication number: RU2135898C1
Application number: RU95108223A
Authority: RU
Inventors: Брайан Ричардс
Original assignee: Роллс-Ройс Лимитид
Priority date: 1994-05-21
Filing date: 1995-05-22
Publication date: 1999-08-27
Also published as: RU95108223A; US5797267A; DE69531806T2; JPH07318060A; CA2148978A1; EP0687864A2; GB9410233D0; DE69531806D1; EP0687864B1; US6189814B1; EP0687864A3

Abstract

Камера сгорания газовой турбины имеет первичную, вторичную и третью зоны сгорания по направлению потока, канал вторичного смешивания и канал третьего смешивания. Площадь поперечного сечения каналов вторичного и третьего смешивания уменьшается от их впускных устройств до их выпускных отверстий для создания ускоренного потока через каналы смешивания, чтобы предотвратить образование зон рециркуляции. Топливные инжекторы имеют отверстия для выпуска топлива ниже по потоку относительно любых зон рециркуляции, могущих образоваться у впускных устройств. Топливные инжекторы проходят через основной участок каналов так, чтобы эффективно подразделить каналы на как минимум части их длины. Участки топливных инжекторов, находящиеся внутри каналов, имеют в поперечном сечении форму гоночного трека, а участки вне каналов имеют в поперечном сечении форму профиля крыла. Топливные инжекторы имеют уменьшающиеся в поперечном направлении размеры по ширине каналов. Такое выполнение камеры сгорания и топливного эжектора приводит к снижению окислов азота в продуктах сгорания. 3 с. и 27 з.п. ф-лы, 10 ил.

Description

Изобретение относится к камере сгорания газовой турбины.

Для соответствия требованиям по уровню выбросов в окружающую среду для промышленных газотурбинных двигателей с низким уровнем выбросов, требуется поэтапное сгорание, чтобы свести к минимуму количество получающихся окислов азота (NO_x). В настоящее время требование по уровню выбросов составляет менее, чем 25 объемных частей на миллион NOx для выхлопных, газов промышленной газовой турбины. Коренной путь сокращения выбросов окислов азота состоит в снижении температуры реакции сгорания, а это требует до сгорания предварительного смешивания топлива и всего нужного для сгорания воздуха. Количество окислов азота (NO_x) обычно снижается с помощью метода, использующего два этапа впрыскивания горючего. В нашем патенте Великобритании N 1489339 описываются два этапа впрыскивания горючего для снижения NO_x. В нашей международной заявке WO 92/07221 описываются два и три этапа впрыскивания горючего. При таком сгорании все этапы сгорания призваны обеспечить "скудное" сгорание и, следовательно, низкие температуры сгорания, требуемые для сведения NO_x к минимуму. Термин "скудное" сгорание означает сгорание топлива в воздухе, когда отношение топлива к воздуху является низким, т.е. ниже стехиометрического отношения.

Настоящее изобретение относится к газовым турбинам и газотурбинным двигателям, имеющим поэтапное сгорание,- конкретно к каналу вторичного смешивания топлива и воздуха и вторичному впрыскиванию горючего, или к каналу третьего смешивания топлива и воздуха и третьему впрыскиванию горючего.

Для того, чтобы впрыскивать горючее в каналы вторичного или третьего смешивания топлива и воздуха, как известно, используют цилиндрические топливные инжекторы, которые проходят через впускное отверстие к каналу смешивания, как описано в нашей одновременно поданной заявке на патент Великобритании 9310690.4, поданной 24 мая 1993 г. Это приспособление имеет тот недостаток, что в нем топливо предварительно горит в воздухе в канале смешивания, тогда, как топливо не должно гореть до тех пор, пока оно не находится в соответствующей зоне сгорания. Топливо горит в воздухе в канале смешивания из-за рециркуляции топлива и воздуха в областях, находящихся за топливными инжекторами, и из-за того, что горячие газы из зоны сгорания направляются по направлению потока в канал смешивания.

Настоящее изобретение направлено на создание камеры сгорания, которая уменьшает или разрешает эти проблемы.

Соответственно, настоящее изобретение предусматривает камеру сгорания газотурбинного двигателя, содержащую, как минимум, одну зону сгорания, образованную, как минимум, одной периферийной стенкой, средство для образования, как минимум, одного канала смешивания топлива и воздуха для направления смеси топлива и воздуха к, как минимум, одной зоне сгорания, причем каждый канал смешивания имеет расположенный в начале по потоку конец для приема воздуха, промежуточную область для приема топлива и расположенный ниже по потоку конец для подачи смеси топлива и воздуха в, как минимум, одну зону сгорания, причем каждый канал смешивания уменьшается в своем поперечном сечении по направлению потока от одного своего конца до другого для получения ускоренного протекания по нему смеси; как минимум, один топливный инжектор для впрыскивания горючего в промежуточную область, как минимум, одного канала смешивания, причем каждый топливный инжектор проходит в направлении по потоку вдоль, как минимум, одного канала смешивания к промежуточной области; каждый топливный инжектор способен разделять этот, как минимум, один канал смешивания на ряд каналов по, как минимум, части длины потока этого, как минимум, одного канала смешивания и имеет ряд выпускных отверстий, расположенных таким образом, чтобы впрыскивать горючее в промежуточную область, как минимум, одного канала смешивания, причем эти выпускные отверстия обеспечивают впрыскивание горючего поперек направления струи.

Топливный инжектор может проходить по всей длине этого, как минимум, одного канала смешивания чтобы подразделить его на ряд каналов по всей длине.

Как минимум, одна стенка может проходить в направлении по потоку вдоль этого, как минимум, одного канала смешивания, причем каждая стенка эффективно подразделяет этот канал смешивания на ряд каналов по, как минимум, части его длины.

Этот, как минимум, один топливный инжектор может проходить над находящейся спереди по потоку частью канала смешивания, стенка проходит над находящейся внизу по потоку частью канала смешивания, причем находящийся внизу по потоку конец топливного инжектора размещен в принципе сразу же перед находящимся вверху по потоку концом стенки, так что топливный инжектор и стенка взаимодействуют для разделения этого, как минимум, одного канала смешивания на ряд каналов по всей его длине.

Как минимум, один топливный инжектор может проходить над находящейся спереди по потоку частью канала смешивания, причем площадь поперечного сечения топливного инжектора уменьшается по потоку от его одного конца до другого.

Предпочтительно, чтобы находящийся ниже по потоку конец топливного инжектора имел относительно острый край.

Предпочтительно, чтобы часть топливного инжектора, расположенная внутри канала смешивания, имела профиль поперечного сечения гоночного трека.

Предпочтительно, чтобы топливный инжектор проходил через расположенный спереди по потоку конец канала смешивания, а часть топливного инжектора размещалась бы вне канала смешивания.

Предпочтительно, чтобы часть топливного инжектора, находящаяся вне канала смешивания, имела в поперечном сечении профиль крыла.

Предпочтительно, чтобы топливный инжектор проходил в первом направлении поперек направления струи через основной участок, как минимум, одного канала смешивания.

Предпочтительно, чтобы топливный инжектор имел, как минимум, участок с в принципе постоянным размером в первом поперечном направлении и чтобы этот участок располагался между находящимся спереди по потоку концом и промежуточной областью канала смешивания.

Предпочтительно, чтобы часть топливного инжектора, находящаяся вне канала смешивания, имела уменьшающуюся площадь поперечного сечения по направлению к части топливного инжектора, расположенной внутри канала смешивания.

Предпочтительно, чтобы размеры топливного инжектора уменьшались во втором направлении поперек, направления потока между находящимся выше по потоку концом и промежуточной областью канала смешивания, причем второе направление перпендикулярно первому.

Предпочтительно, чтобы во втором поперечном направлении было равномерное уменьшение размеров.

Предпочтительно, чтобы имелся ряд топливных инжекторов.

Камера сгорания может иметь первичную зону сгорания и вторичную зону сгорания вниз по потоку от первичной зоны сгорания и чтобы, как минимум, один канал смешивания топлива и воздуха подавал смесь топлива и воздуха во вторичную зону сгорания.

Периферийная стенка может быть кольцевой, как минимум, один канал смешивания топлива и воздуха может быть расположен вокруг первичной зоны сгорания.

Камера сгорания может иметь первичную зону сгорания, вторичную зону сгорания ниже по потому относительно первичной зоны сгорания и третью зону сгорания ниже по потоку относительно вторичной зоны сгорания, причем, как минимум, один канал смешивания топлива и воздуха будет подавать смесь топлива и воздуха в третью зону сгорания.

Периферийная стенка может быть кольцевой, а, как минимум, один канал смешивания топлива и воздуха может быть расположен вокруг вторичной зоны сгорания.

Как минимум, один канал смешивания топлива и воздуха может быть образован между размещенных соосно одна внутри другой двух кольцевых стенок.

Предпочтительно, чтобы имелся ряд топливных инжекторов расположенных по окружности на равном расстоянии друг от друга.

Предпочтительно, чтобы камера сгорания была окружена кожухом, и имелась топливная магистраль для подачи топлива к, как минимум, одному топливному инжектору.

Настоящее изобретение также предусматривает камеру сгорания газовой турбины, содержащую, как минимум, одну зону сгорания, образованную, как минимум, одной периферийной стенкой, канал смешивания, проводящий смесь топлива и воздуха к, как минимум, одной зоне сгорания, причем канал смешивания имеет находящийся спереди по потоку конец для приема воздуха, промежуточную область для приема топлива и находящийся ниже по потоку конец для подачи смеси топлива и воздуха в, как минимум, одну зону сгорания, а площадь поперечного сечения канала смешивания уменьшается от его переднего конца к его концу ниже по потоку так, чтобы вызвать через него ускоренное протекание смеси, ряд топливных инжекторов для впрыскивания горючего в промежуточную область канала смешивания, причем топливные инжекторы проходят в направлении по потоку вдоль канала смешивания к промежуточной области, эффективно подразделяя канал смешивания на ряд каналов по, как минимум, части его длины, и имеют выпускные отверстия, размещенные так, чтобы впрыскивать горючее в промежуточную область канала смешивания, причем это впрыскивание происходит поперек направления потока к соседним топливным инжекторам.

Настоящее изобретение также предусматривает топливный инжектор газотурбинного двигателя, содержащий элемент, площадь поперечного сечения которого уменьшается в продольном направлении от первого конца ко второму концу, причем элемент имеет уменьшающиеся размеры в первом направлении, перпендикулярном продольному направлению от первого конца ко второму концу, продольный проход для подачи топлива от первого конца ко второму концу и ряд выпускных отверстий на заранее определенном расстоянии от второго конца. Выпускные отверстия разделены друг от друга во втором направлении, которое в принципе перпендикулярно и первому направлению, и продольному направлению, а отверстия расположены так, чтобы направлять топливо в принципе перпендикулярно второму направлению.

В первом направлении может быть равномерное уменьшение размеров.

Предпочтительно, чтобы, как минимум, часть элемента имела в принципе постоянные размеры во втором направлении.

Предпочтительно, чтобы, как минимум, часть элемента находилась рядом со вторым концом элемента.

Предпочтительно, чтобы размеры части топливного инжектора уменьшались во втором направлении между первым концом элемента и частью элемента, имеющей постоянные размеры во втором направлении.

Предпочтительно, чтобы часть элемента, которая имеет в принципе постоянные размеры в первом направлении, имела поперечное сечение в форме гоночного трека.

Предпочтительно, чтобы часть элемента, размеры которой уменьшаются во втором направлении, имела сечение в виде профиля крыла.

Предпочтительно, чтобы второй конец элемента имел острый край.

Настоящее изобретение будет раскрыто более полно с помощью примеров со ссылкой на сопроводительные чертежи, где:
На фиг. 1 представлен вид газотурбинного двигателя, имеющего узел предлагаемой камеры сгорания.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение, проведенное через камеру сгорания, показанную на фиг. 1.

На фиг. 3 представлено поперечное сечение по стрелкам A-A на фиг. 2.

На фиг. 4 представлено поперечное сечение по стрелкам B-B на фиг. 2.

На фиг. 5 представлен увеличенный частичный вид в направлении стрелки C на фиг. 2, показывающий один топливный инжектор.

На фиг. 6 представлено поперечное сечение по стрелкам D-D на фиг. 5.

На фиг. 7 представлено поперечное сечение по стрелкам E-E на фиг. 5.

На фиг. 8 представлено поперечное сечение по стрелкам F-F на фиг. 5.

На фиг. 9 представлено поперечное сечение по стрелкам G-G на фиг. 5.

На фиг. 10 представлено поперечное сечение по стрелкам H-H на фиг. 5.

Промышленный газотурбинный двигатель 10, показанный на фиг. 1, содержит последовательно расположенные по осевому потоку впускное отверстие 12, секцию компрессора 14, узел камеры сгорания 16, секцию турбины 18, секцию силовой турбины 20 и выхлопную трубу 22. Турбина 18 способна приводить в действие компрессор 14 посредством одного или нескольких валов (не показаны). Силовая турбина 20 способна приводить посредством вала 24 в действие электрический генератор 26. Однако секция силовой турбины 20 может быть организована с обеспечением привода для других целей. Работа газотурбинного двигателя 10 вполне традиционна и далее не будет обсуждаться.

Узел камеры сгорания 16 более наглядно показан на фиг. 2-5. Узел камеры сгорания 16 содержит ряд, например, девять, равномерно разделенных по окружности трубчатых камер сгорания 28. Оси трубчатых камер сгорания 28 проходят, в общем, в радиальных направлениях. Впускные отверстия трубчатых камер сгорания 28 находятся у их радиально удаленных внешних концов, а выпускные отверстия у их радиально приближенных внутренних концов.

Каждая из трубчатых камер сгорания 28 содержит находящуюся спереди по потоку стенку 30, закрепленную на находящемся ниже по потоку конце кольцевой стенки 32. Первая часть 34 кольцевой стенки 32, расположенная спереди по потоку, образует первичную зону сгорания 36, вторая промежуточная часть 38 кольцевой стенки 32 образует вторичную зону сгорания 40, а третья расположенная ниже по потоку часть 42 кольцевой стенки 32 образует третью зону сгорания 44. Расположенный ниже по потоку конец первой части 34 имеет усеченно-коническую область 46, диаметр которой уменьшается до горловины 48. Вторая часть 38 кольцевой стенки 32 имеет больший диаметр, чем у первой части 34. Усеченно-коническая область 50 соединяет вместе горловину 48 и находящийся выше по потоку конец второй части 38. Находящийся ниже по потоку конец второй части 38 имеет усеченно-коническую область, диаметр которой уменьшается до горловины 54. Третья часть 42 кольцевой стенки 32 имеет больший диаметр, чем у второй части 38. Усеченно-коническая область 56 соединяет вместе горловину 54 и находящийся выше по потоку конец третьей части 42.

Стенка 30 каждой из трубчатых камер сгорания 28 имеет отверстие 58 для подачи воздуха и горючего в первичную зону сгорания 36. Первая и вторая центробежные форсунки радиального потока 60 и 62 установлены соосно с отверстием 58 в стенке 30. Первая центробежная форсунка радиального потока 60 размещена соосно со второй форсункой 62 и ниже ее по потоку относительно трубчатой камеры сгорания. Первая центробежная форсунка радиального потока 60 имеет ряд топливных инжекторов 64, каждый из которых размещен в зазоре, образованном между лопатками центробежной форсунки. Вторая центробежная форсунка радиального потока 62 имеет ряд топливных инжекторов 72, каждый из которых размещен в зазоре, образованном между двумя лопатками центробежной форсунки. Первая и вторая форсунки 60 и 62 радиального потока расположены так, что они создают завихрения воздуха в противоположных направлениях. Для более подробного описания использования двух центробежных форсунок радиального потока и топливных инжекторов, расположенных в зазорах между лопатками, можно посмотреть нашу международную заявку N WO 92/07221. Первичное топливо и воздух смешиваются вместе в зазорах между лопатками первой и второй центробежных форсунок 60 и 62 радиального потока.

Кольцевой канал 70 вторичного смешивания топлива и воздуха имеется для каждой из трубчатых камер сгорания 28. Каждый канал 70 вторичного смешивания топлива и воздуха размещен соосно первичной зоне сгорания 36. Каждый из каналов 70 вторичного смешивания топлива и воздуха образован между второй кольцевой стенкой 72 и третьей кольцевой стенкой 74. Вторая кольцевая стенка 72 образует внутреннюю радиальную поверхность канала 70, а третья кольцевая стенка 74 образует внешнюю радиальную поверхность этого канала. Расположенный по оси выше по потоку конец 76 второй кольцевой стенки 72 закреплен на боковой пластине первой центробежной форсунки 60 радиального потока. Расположенные по оси выше по потоку концы второй и третьей кольцевых стенок 72 и 74 находятся в принципе в одной и той же плоскости перпендикулярно к оси трубчатой камеры сгорания 28. Канал 70 вторичного смешивания топлива и воздуха имеет вторичное впускное устройство 78, выполненное радиально между расположенным выше по потоку концом второй кольцевой стенки 72 и расположенным выше по потоку концом третьей кольцевой стенки 74.

У находящегося ниже по потоку конца канала 70 вторичного смешивания топлива и воздуха вторая и третья кольцевые стенки 72 и 74, соответственно, закреплены на усеченно-конической области 50, снабженной рядом равномерно расположенных по окружности отверстий 80. Отверстия 80 способны направлять смесь топлива и воздуха во вторичную зону сгорания 40 в трубчатой камере сгорания 28 в направлении вниз по потоку к оси трубчатой камеры сгорания 28. Отверстия 80 могут быть круглыми или в виде прорезей и иметь равную площадь для прохождения потока.

Площадь поперечного сечения канала 70 вторичного смешивания топлива и воздуха постепенно уменьшается от впускного устройства 78 у своего находящегося выше по потоку конца к отверстиям 80 у своего находящегося ниже по потоку конца. Вторая и третья кольцевые стенки 72 и 74 канала 70 имеют такую форму, чтобы получить аэродинамически гладкий канал 70. Поэтому форма канала 70 вторичного смешивания топлива и воздуха позволяет получать ускоряющийся через него поток с отсутствием участков возможной рециркуляции.

Для каждой из трубчатых камер сгорания 28 имеется кольцевой канал 82 третьего смешивания топлива и воздуха. Каждый канал 82 расположен соосно вторичной зоне сгорания 40. Каждый из каналов 82 третьего смешивания топлива и воздуха образован между четвертой кольцевой стенкой 84 и пятой кольцевой стенкой 86. Четвертая кольцевая стенка 84 образует внутреннюю радиальную поверхность канала 82, а пятая кольцевая стенка 86 образует внешнюю радиальную поверхность этого канала. Находящиеся на оси выше по потоку верхние концы четвертой и пятой кольцевых стенок 84 и 86 лежат в принципе в той же самой плоскости перпендикулярно оси трубчатой камеры сгорания 28. Канал 82 третьего смешивания топлива и воздуха имеет впускное устройство 88, выполненное между находящимся выше по потоку концом четвертой кольцевой стенки 84 и находящимся выше по потоку концом пятой кольцевой стенки 86.

У находящегося ниже по потоку конца канала 82 третьего смешивания топлива и воздуха четвертая и пятая кольцевые стенки 84 и 86, соответственно, закреплены на усеченно-конической области 56, имеющей ряд равноотстоящих друг от друга по окружности отверстий 90. Отверстия 90 способны направлять смесь топлива и воздуха в третью зону сгорания 44, в трубчатую камеру сгорания 28, в направлении вниз по потоку к оси этой камеры.

Отверстия 90 могут быть круглыми или в виде прорезей и иметь равную площадь для прохождения потока.

Канал 82 имеет постепенно уменьшающуюся площадь поперечного сечения от впускного устройства 88 у его находящегося выше по потоку конца к отверстиям 90 у его находящегося ниже по потоку конца. Четвертая и пятая кольцевые стенки 84 и 86 канала 82 имеют такую форму, чтобы образовывать аэродинамически гладкий канал 82. Поэтому форма этого канала позволяет получать ускоряющийся через него поток с отсутствием участков возможной рециркуляции потока.

Имеется ряд вторичных топливных систем 92 для подачи топлива к каналам 70 вторичного смешивания топлива и воздуха каждой из трубчатых камер сгорания 28. Вторичная топливная система 92 для каждой трубчатой камеры сгорания 28 содержит кольцевую вторичную топливную магистраль 94, расположенную соосно с трубчатой камерой сгорания 28 у находящегося выше по потоку конца этой трубчатой камеры. Вторичная топливная магистраль снабжена кожухом 124, но она может размещаться вне или внутри кожуха 124. Каждая вторичная топливная магистраль 94 имеет ряд, например, тридцать два, равноотстоящих друг от друга по окружности вторичных топливных инжекторов 96. Каждый из вторичных топливных инжекторов 90 содержит полый элемент 98, который проходит соосно трубчатой камере сгорания 28 от вторичной топливной магистрали 94 в направлении вниз по потоку через впускное устройство 78 канала 70 вторичного смешивания топлива и воздуха, и в этот канал. Каждый полый элемент 98 проходит в направлении вниз по потоку вдоль канала 70 вторичного смешивания топлива и воздуха к расположению, достаточно удаленному от впускного устройства, где отсутствуют потоки рециркуляции в канале 70 вторичного смешивания топлива и воздуха благодаря потоку воздуха внутрь этого канала.

Каждый полый элемент 98 проходит в первом направлении радиально через канал 70 вторичного смешивания топлива и воздуха 70 поперек направления потока, проходящего через основную часть канала 70. Каждый полый элемент 98 имеет те же самые размеры в первом направлении у одной части 107 вдоль своей длины и радиально относительно трубчатой камеры сгорания 28. Размеры каждого полого элемента 98 постепенно уменьшаются во втором направлении, перпендикулярном первому направлению и поперек направления потока, между первым концом 100, прикрепленным к вторичной топливной магистрали 94, и вторым концом 102 в канале 70 вторичного смешивания топлива и воздуха. Размеры полого элемента 98 уменьшаются в первом направлении между первым концом 100 и частью 107. Таким образом, площадь поперечного сечения каждого полого элемента 98 уменьшается от его конца 100 к его второму концу 102.

Каждый полый элемент 98 имеет зазор 104, который расположен продольно от конца 100 полого элемента 98 у вторичной топливной магистрали 94 к положению, отделенному от конца 102 полого элемента 98. Конец 102 каждого полого элемента 98 имеет ряд выпускных отверстий 106. Отверстия 106 разнесены в первом направлении и способны направлять топливо перпендикулярно этому направлению, т.е. во втором направлении. Имеются отверстия 106 для выпуска топлива с обеих сторон полого элемента 98 во втором направлении, но в противоположных направлениях. Зазор 104 соединяется с выпускными отверстиями 106 для подачи топлива из вторичной топливной магистрали 94 к выпускным отверстиям 106. Выпускные отверстия 106 на каждом полом элементе 98 расположены отдельно друг от друга и размещены радиально относительно канала 70 вторичного смешивания топлива и воздуха так, чтобы выпускать топливо, в основном, в направлениях по окружности. Таким образом, каждый топливный инжектор 96 выпускает топливо в направлении к соседним топливным инжекторам.

Полые элементы 98 топливных инжекторов 96 проходят через основную часть каналов 70 вторичного смешивания топлива и воздуха так, чтобы эффективно аэродинамически разделять канал 70 на ряд отдельных каналов смешивания. Следовательно, топливные инжекторы 96 разделяют канал 70 вторичного смешивания топлива и воздуха на отдельные каналы смешивания, а также подают топливо в отдельные каналы смешивания.

Имеется пренебрежимо малый перенос массы между радиально внутренним и внешним концами полого элемента 98 и кольцевыми стенками 72 и 74, образующими канал 70 вторичного смешивания топлива и воздуха. Топливные инжекторы 96 проходят только часть длины этого канала 70.

Поперечное сечение полых элементов 98 имеет профиль крыла над участком 105, как показано на фиг. 6 и 7, но полые элементы 98 плавно переходят, как показано на фиг. 8, в поперечное сечение типа гоночного трека в области 107, как показано на фиг. 9 и 10. Полые элементы 98 имеют форму профиля крыла у области 105, чтобы обеспечить гладкое аэродинамическое протекание воздуха поперек полых элементов 98, внутри кожуха 124, без нарушения работы первой и второй центробежной форсунки 60 и 62 радиального потока.

Полые элементы 98 имеют сечение в форме гоночного трека у области 107, чтобы обеспечить гладкое аэродинамическое протекание воздуха по длине полых элементов 98 в канал 70 вторичного смешивания топлива и воздуха. Конец 102 полых элементов 98 представляет собой тонкий край, так что в принципе на нем не генерируется никакой турбулентности, или генерируется незначительно потоком воздуха, проходящим через канал 70 вдоль полых элементов 98 на выходе из конца 102.

Имеется ряд третьих топливных систем 108 для подачи топлива в каналы 82 третьего смешивания топлива и воздуха каждой из трубчатых камер сгорания 28. Топливная система 108 для каждой трубчатой камеры сгорания 28 содержит кольцевую третью топливную магистраль 110, расположенную соосно с трубчатой камерой сгорания 28. Топливная магистраль 110 размещена вне кожуха 124, но может помещаться и в кожухе 124. Каждая топливная магистраль 110 имеет ряд, например, 32, равномерно отделенных друг от друга по окружности топливных инжекторов 112. Каждый из третьих топливных инжекторов 112 содержит полый элемент 114, который проходит сначала радиально вовнутрь и затем по оси трубчатой камеры сгорания 28 от топливной магистрали 110 в направлении вниз по потоку через впускное устройство 88 канала 82 в сам канал. Каждый полый элемент 114 проходит в направлении вниз по потоку вдоль канала 82 в положение, достаточно удаленное от впускного устройства 88, где в канале 82 смешивания топлива и воздуха отсутствуют потоки рециркуляции благодаря потоку воздуха в этом канале.

Каждый полый элемент 114 проходит в первом направлении, т.е. радиально через канал 82 смешивания, топлива и воздуха поперек направления потока, через основную часть канала 82. Каждый полый элемент 114 имеет одни и те же размеры в первом направлении во всех положениях вдоль своей длины внутри канала 82 смешивания топлива и воздуха. Размеры каждого полого элемента 114 постепенно уменьшаются во втором направлении, перпендикулярном первому направлению, поперек направления потока, между первым концом 116, закрепленным на топливной магистрали 110, и вторым концом 118 в канале 82. Таким образом, площадь поперечного сечения каждого полого элемента 114 уменьшается от его конца 116 к его концу 118.

Каждый полый элемент 114 имеет зазор 120, который расположен продольно от конца 116 полого элемента 114 у топливной магистрали 110 к положению, отделенному от конца 118 полого элемента 114.

Конец 118 каждого полого элемента 114 имеет ряд выпускных отверстий 122. Отверстия 122 отделены друг от друга в первом направлении и обеспечивают подачу топлива перпендикулярно первому направлению, т.е. во втором направлении. Имеются отверстия 122 для выпуска топлива с обеих сторон полого элемента 114 во втором направлении, но в противоположных направлениях. Зазор 120 соединяется с выпускными отверстиями 122 для подачи топлива от топливной магистрали 110 к этим отверстиям. Можно видеть, что выпускные отверстия 122 на каждом полом элементе 120 отделены друг от друга радиально относительно канала 82 смешивания топлива и воздуха и выпускают топливо в основном в направлениях по окружности.

Аналогичным образом, полые элементы 114 топливных инжекторов 112 проходят через основную часть каналов 82 смешивания топлива и воздуха так, чтобы эффективно аэродинамически разделять канал 82 на ряд отдельных каналов смешивания. Таким образом, топливные инжекторы 112 разделяют канал 82 на отдельные каналы смешивания, а также служат для подачи топлива в отдельные каналы смешивания. Имеется пренебрежимо малый перенос массы между радиально внутренним и внешним концами полого элемента 114 и кольцевыми стенками 84 и 86, образующими канал 82 смешивания топлива и воздуха. Топливные инжекторы 112 проходят только часть длины этого канала.

Поперечное сечение полых элементов 114 имеет форму профиля крыла над областью 115, как показано на фиг. 2, и форму гоночного трека в области 117, как показано на фиг. 2. Полые элементы 114 имеют форму профиля крыла в области 115, чтобы обеспечить гладкое аэродинамическое течение воздуха поперек полых элементов 114, внутри кожуха 124, без нарушения работы первой и второй центробежных форсунок 60 и 62 радиального потока и канала 70 вторичного смешивания топлива и воздуха. Полые элементы 114 имеют форму гоночного трека у области 117, чтобы обеспечить гладкое аэродинамическое протекание воздуха по длине полых элементов 117 в канал 82 третьего смешивания топлива и воздуха. Второй конец 118 полых элементов 114 представляет собой очень тонкий край, так что в принципе не генерируется турбулентности, или генерируется незначительно потоком воздуха, проходящим через канал 82 вдоль полых элементов 114 на выходе из конца 118.

Топливные магистрали 94 и 110 расположены вне кожуха сгорания 124, который вмещает трубчатую камеру сгорания 28.

При работе создается ускоряющийся поток воздуха через каналы 70 и 82 смешивания топлива и воздуха, благодаря аэродинамически гладкой форме каналов и благодаря тому, что эти каналы имеют уменьшающуюся площадь поперечного сечения между своими впускными устройствами 78, 88 у своих находящихся выше по потоку концов, и отверстиями 80, 90 у своих находящихся ниже по потоку концов. Ускоряющийся поток воздуха через каналы смешивания 70 и 82 снижает или предотвращает образование в них зон рециркуляции, и это в свою очередь уменьшает или исключает возможность горения топлива, впрыскиваемого в каналы смешивания 70 и 82.

Топливные инжекторы 96 и 112 проходят от соответствующих топливных магистралей 94 и 110, размещенных вне кожуха 124 камеры сгорания. Размещение топливных магистралей вне кожуха 124 камеры сгорания имеет то преимущество, что исключает вытекание топлива из топливных магистралей в каналы смешивания 70 и 82, и, следовательно, уменьшается возможность появления огня в этих каналах смешивания. Для этой конструкции нет необходимости иметь уплотнения внутри кожуха камеры сгорания, также нет необходимости иметь трубы подачи с возможностью расширения/сжатия.

Расстояние от выпускных отверстий 106, 122 до соответствующих отверстий 80, 90 поддерживается как можно большим для оптимального смешивания топлива и воздуха, при этом обеспечивается достаточно далекое нахождение выпускных отверстий 106, 122 от впускных устройств 78, 88 каналов смешивания 70, 82 так, что любое горючее, впрыскиваемое из инжекторов 96, 112 не мигрирует в какие-либо зоны рециркуляции у впускных устройств 78, 88 каналов смешивания 70, 82.

Возможен вариант, при котором топливные инжекторы во всех положениях вокруг кольцевых каналов смешивания будут иметь одну и ту же степень конусности. Однако есть возможность варьировать степенью конусности топливных инжекторов в разных положениях вокруг кольцевых каналов смешивания.

В этом изобретении описаны топливные инжекторы, которые проходят только часть длины канала смешивания. Однако, если канал смешивания выполнен в принципе прямым, то топливные инжекторы могут проходить по всей длине канала смешивания чтобы полностью разделить его на отдельные каналы смешивания. В этом случае топливные инжекторы могут иметь постоянную площадь поперечного сечения по всей длине канала смешивания.

Можно разделить канал смешивания у его находящегося ниже по потоку конца радиально проходящими стенками. Например, канал третьего смешивания топлива и воздуха 82 имеет радиальные стенки 126, указанные пунктирными линиями на фиг. 2. Находящиеся ниже по потоку концы 118 топливных инжекторов 112 примыкают непосредственно к находящимся выше по потоку концам стенок 126 или находятся рядом с ними так, что топливные инжекторы 112 и стенки 126 взаимодействуют с обеспечением полного отделения канала 82 от впускного устройства 88 к отверстиям 90. Топливные инжекторы могут иметь постоянную площадь поперечного сечения по всей длине канала 82. Стенки могут укрепляться на обеих кольцевых стенках 84 и 86 или крепиться только к одной из стенок 84, 86.

Claims

1. Камера сгорания газовой турбины, содержащая как минимум одну зону сгорания, образованную как минимум одной периферийной стенкой, средство для образования как минимум одного канала смешивания топлива и воздуха для подачи смеси топлива и воздуха к как минимум одной зоне сгорания и как минимум один топливный инжектор для впрыскивания топлива в промежуточную область как минимум одного канала смешивания, отличающаяся тем, что каждый канал смешивания имеет расположенный выше по потоку конец для приема воздуха, промежуточную область для приема топлива и расположенный ниже по потоку конец для подачи смеси топлива и воздуха в как минимум одну зону сгорания, причем площадь поперечного сечения каждого канала смешивания выполнена уменьшающейся от его верхнего по потоку конца к его нижнему по потоку концу для получения проходящего через него ускоряющегося потока, а каждый топливный инжектор проходит по направлению вниз по потоку вдоль как минимум одного канала смешивания к как минимум одной промежуточной области для эффективного разделения как минимум одного канала смешивания на как минимум части его длины на ряд каналов и имеет ряд выпускных отверстий, обеспечивающих впрыскивание топлива поперек направления потока в промежуточную область как минимум одного канала смешивания.

2. Камера сгорания по п. 1, отличающаяся тем, что топливный инжектор проходит по всей длине как минимум одного канала смешивания для его разделения по всей длине на ряд каналов.

3. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что как минимум одна стенка выполнена проходящей в направлении вниз по потоку вдоль как минимум одного канала смешивания для эффективного разделения этого канала на как минимум части его длины на ряд каналов.

4. Камера сгорания по п.3, отличающаяся тем, что как минимум один топливный инжектор размещен на расположенной выше по потоку части канала смешивания, а стенка - на расположенной ниже по потоку части канала смешивания, причем находящийся ниже по потоку конец топливного инжектора расположен, в принципе, сразу перед находящимся выше по потоку концом стенки, так что при взаимодействии топливного инжектора и стенки обеспечивается разделение как минимум одного канала смешивания по всей его длине на ряд каналов.

5. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что как минимум один топливный инжектор расположен на находящейся выше по потоку части канала смешивания, причем площадь поперечного сечения топливного инжектора выполнена уменьшающейся от его находящегося выше по потоку конца к его находящемуся ниже по потоку концу.

6. Камера сгорания по п.5, отличающаяся тем, что расположенный ниже по потоку конец топливного инжектора имеет относительно острый край.

7. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что часть топливного инжектора, расположенная внутри канала смешивания, имеет поперечное сечение по форме гоночного трека.

8. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что топливный инжектор проходит через расположенный выше по потоку конец канала смешивания, при этом часть топливного инжектора расположена вне канала смешивания.

9. Камера сгорания по п.8, отличающаяся тем, что часть топливного инжектора, находящаяся вне канала смешивания, имеет поперечное сечение в виде профиля крыла.

10. Камера сгорания по п.5, отличающаяся тем, что топливный инжектор выполнен проходящим в первом направлении поперек направления потока через основную часть как минимум одного канала смешивания.

11. Камера сгорания по п.10, отличающаяся тем, что топливный инжектор имеет как минимум часть с, в принципе, постоянными размерами в первом направлении, находящуюся между расположенным по потоку концом и промежуточной областью канала смешивания.

12. Камера сгорания по п.8, отличающаяся тем, что часть топливного инжектора, расположенная вне канала смешивания, имеет площадь поперечного сечения, уменьшающуюся по направлению к части топливного инжектора, расположенной внутри канала смешивания.

13. Камера сгорания по п.10, отличающаяся тем, что размеры топливного инжектора уменьшаются во втором направлении, перпендикулярном первому направлению, поперек направления потока между находящимся выше по потоку концом и промежуточной областью канала смешивания.

14. Камера сгорания по п.13, отличающаяся тем, что уменьшение размеров во втором направлении выполнено равномерным.

15. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что она содержит ряд топливных инжекторов.

16. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что она имеет первичную зону сгорания и вторичную зону сгорания, находящуюся ниже по потоку от первичной зоны сгорания, причем как минимум один канал смешивания топлива и воздуха подает смесь топлива и воздуха во вторичную зону сгорания.

17. Камера сгорания по п.16, отличающаяся тем, что периферийная стенка выполнена кольцевой, а как минимум один канал смешивания топлива и воздуха расположен вокруг первичной зоны сгорания.

18. Камера сгорания по п.1, отличающаяся тем, что она имеет первичную зону сгорания, вторичную зону сгорания, расположенную ниже по потоку от первичной зоны сгорания, и третью зону сгорания, расположенную ниже по потоку от вторичной зоны сгорания, причем как минимум один канал смешивания топлива и воздуха подает смесь топлива и воздуха в третью зону сгорания.

19. Камера сгорания по п.18, отличающаяся тем, что периферийная стенка выполнена кольцевой, а как минимум один канал смешивания топлива и воздуха расположен вокруг вторичной зоны сгорания.

20. Камера сгорания по п.17 или 19, отличающаяся тем, что как минимум один канал смешивания топлива и воздуха образован радиально отстоящими друг от друга внутренней и внешней кольцевыми стенками.

21. Камера сгорания по п.20, отличающаяся тем, что она снабжена рядом равномерно отделенных друг от друга по окружности топливных инжекторов.

22. Камера сгорания газовой турбины, содержащая как минимум одну зону сгорания, образованную как минимум одной периферийной стенкой, канал смешивания для подачи смеси топлива и воздуха к как минимум одной зоне сгорания, ряд топливных инжекторов для впрыскивания топлива в промежуточную область канала смешивания, отличающаяся тем, что канал смешивания имеет расположенный выше по потоку конец для приема воздуха, промежуточную область для приема топлива и расположенный ниже по потоку конец для подачи смеси топлива и воздуха в как минимум одну зону сгорания, причем площадь поперечного сечения канала смешивания выполнена уменьшающейся от его верхнего по потоку конца к его нижнему по потоку концу для получения проходящего через него ускоренного потока, а топливные инжекторы выполнены проходящими по потоку вдоль канала смешивания к промежуточной области для эффективного разделения канала смешивания на как минимум части его длины на ряд каналов и имеют выпускные отверстия, обеспечивающие впрыскивание топлива в промежуточную область канала смешивания поперек направления потока к соседним топливным инжекторам.

23. Топливный инжектор газотурбинного двигателя, содержащий элемент, имеющий первый и второй концы и продольный канал для подачи топлива от первого конца к второму, отличающийся тем, что площадь поперечного сечения элемента выполнена уменьшающейся в продольном направлении от первого конца к второму, сам элемент выполнен с уменьшением размеров в первом направлении, перпендикулярном продольному направлению от первого конца к второму концу, при этом элемент имеет ряд выпускных отверстий для подачи топлива, в принципе, в первом направлении, расположенных на заданном расстоянии от второго конца и отстоящих друг от друга во втором направлении, в принципе, перпендикулярном первому и продольному направлениям.

24. Топливный инжектор по п.23, отличающийся тем, что уменьшение размеров в первом направлении выполнено равномерно.

25. Топливный инжектор по п.23, отличающийся тем, что как минимум часть элемента имеет, в принципе, постоянные размеры во втором направлении.

26. Топливный инжектор по п.25, отличающийся тем, что как минимум упомянутая часть элемента прилегает к второму концу этого элемента.

27. Топливный инжектор по п.26, отличающийся тем, что его участок имеет уменьшающиеся размеры во втором направлении между первым концом элемента и участком элемента, имеющим постоянные размеры во втором направлении.

28. Топливный инжектор по п.25, отличающийся тем, что участок элемента, имеющий, в принципе, постоянные размеры в первом направлении, имеет поперечное сечение в форме гоночного трека.

29. Топливный инжектор по п.27, отличающийся тем, что участок элемента, имеющий уменьшающиеся размеры во втором направлении, имеет поперечное сечение в виде профиля крыла.

30. Топливный инжектор по п.23, отличающийся тем, что второй конец элемента имеет острый край.